Основы оптики. Конспект лекций

Родионов С.А.

Излагаются фундаментальные основы геометрической оптики. На основе уравнений Максвелла рассматриваются основные свойства световых полей и их математическое описание. Излагается теория идеальных оптических систем, рассматриваются реальные оптические системы и их отличия от идеальных. Излагаются основы теории аберраций, характеристики и критерии качества оптического изображения, и влияние на них аберраций.Для студентов оптических направлений подготовки и специальностей.

---

Table of contents :
Введение……Page 4
1.1. Основные свойства световых полей……Page 6
1.2. Уравнения Максвелла……Page 7
1.3.1. Волновые уравнения……Page 9
1.3.2. Монохроматическое поле……Page 12
1.3.3. Комплексная амплитуда……Page 15
1.4.1. Интенсивность поля……Page 16
1.4.2. Наблюдаемые величины при сложении полей……Page 17
1.4.3. Квазимонохроматическое и полихроматическое поле……Page 18
Плоские волны……Page 19
Сферические волны……Page 20
2.1.1. Поток излучения……Page 22
2.1.2. Поверхностная плотность потока энергии (освещенность, светимость)……Page 23
2.1.3. Сила излучения……Page 24
2.1.4. Энергетическая яркость……Page 25
2.1.6. Поглощение света средой……Page 26
2.2.1. Световые величины……Page 27
2.2.2. Связь световых и энергетических величин……Page 29
2.2.3. Практические световые величины и их примеры……Page 30
2.3. Модели источников излучения……Page 31
2.3.1. Плоский ламбертовский излучатель……Page 32
2.3.2. Сферический ламбертовский излучатель……Page 33
2.4.1. Сферический ламбертовский излучатель……Page 34
2.4.2. Плоский ламбертовский излучатель……Page 35
2.5. Яркость рассеивающей поверхности……Page 36
2.6.1. Освещенность, создаваемая точечным источником……Page 37
2.6.2. Освещенность от протяженного ламбертовского источника……Page 38
3.1.1. Закон преломления……Page 40
3.1.2. Закон отражения……Page 42
3.1.3. Полное внутреннее отражение……Page 43
3.2.1. Формулы Френеля……Page 44
3.2.2. Распределение энергии между отраженным и преломленным полями……Page 46
3.3.1. Нормальное падение……Page 47
3.3.2. Угол Брюстера……Page 48
3.3.3. Просветление оптики. Тонкие пленки……Page 49
4.1. Приближение коротких длин волн. Уравнение эйконала……Page 51
4.2.1. Волновой фронт и лучи……Page 52
4.2.2. Оптическая длина луча……Page 54
4.2.3. Конгруэнция лучей……Page 55
4.3.2. Закон обратимости……Page 56
4.3.6. Принцип Ферма……Page 57
Дифференциальный инвариант Лагранжа……Page 59
Инвариант Штраубеля……Page 60
4.4.1. Гомоцентрические пучки лучей……Page 61
4.4.2. Негомоцентрические пучки……Page 62
4.5.1. Уравнение переноса комплексной амплитуды в приближении геометрической оптики……Page 63
4.5.2. Пределы применимости геометрической оптики……Page 65
Оптические среды……Page 66
Оптические поверхности……Page 68
Центрированная оптическая система……Page 69
Правила знаков……Page 70
Основные положения……Page 72
5.2.1. Основные положения……Page 73
Линейное (поперечное) увеличение……Page 74
Продольное увеличение……Page 75
5.2.3. Кардинальные точки и отрезки……Page 76
5.2.4. Построение изображений……Page 77
Âûâîä çàâèñèìîñòè ìåæäó ïîëîæåí……Page 79
5.3.2. Угловое увеличение и узловые точки……Page 80
5.3.3. Частные случаи положения предмета и изображения……Page 81
Ñâÿçü ïðîäîëüíîãî óâåëè÷åíèÿ ñ ï……Page 82
5.3.6. Инвариант Лагранжа-Гельмгольца……Page 83
6.1.1. Координаты лучей в пространстве предметов и пространстве изображений……Page 85
6.2.1. Общий вид матрицы преобразования (ABCD-матрица)……Page 86
6.2.2. Геометрический смысл элементов матрицы преобразования……Page 87
Условие сопряжения опорных плоскостей……Page 89
Матрица переноса……Page 90
6.2.4. Матрица одной преломляющей поверхности……Page 91
6.2.5. Матрица зеркальной (отражающей) поверхности……Page 92
6.3. Матрицы оптической системы, состоящей из нескольких компонентов……Page 93
6.3.1. Пакет из плоскопараллельных слоев……Page 94
6.3.3. Двухкомпонентная оптическая система……Page 95
Афокальные (телескопические) системы……Page 96
Матрица тонкой линзы……Page 97
6.3.4. Расчет параксиальных (нулевых) лучей через оптическую систему……Page 98
7.1.1. Расчет хода реальных лучей……Page 99
Луч не попадает на поверхность……Page 100
Луч проходит за острым краем……Page 101
7.2. Ограничения пучков лучей……Page 102
7.2.1. Апертурная диафрагма……Page 103
7.2.3. Виньетирование……Page 105
7.3. Описание предметов, изображений и зрачков……Page 107
7.3.1. Предмет (изображение) ближнего типа……Page 108
7.3.2. Предмет (изображение) дальнего типа……Page 109
7.3.3. Обобщенные характеристики……Page 111
7.3.4. Обобщенное увеличение и инвариант Лагранжа-Гельмгольца……Page 112
8.1.2. Поперечные аберрации……Page 113
8.1.3. Волновая аберрация……Page 115
8.1.4. Продольные аберрации……Page 116
8.2.1. Разложение волновой аберрации в ряд……Page 118
Дефокусировка……Page 119
Сферическая аберрация 3 порядка……Page 120
Сферическая аберрация 5 порядка……Page 122
8.2.3. Кома……Page 123
Кома и неизопланатизм……Page 125
8.2.4. Астигматизм и кривизна изображения……Page 126
8.2.5. Дисторсия……Page 129
8.3.1. Хроматизм положения……Page 131
Принципы ахроматизации оптических систем……Page 132
8.3.2. Хроматизм увеличения……Page 136
Свойство инвариантности к сдвигу (условие изопланатизма)……Page 138
9.1.2. Функция рассеяния точки……Page 139
9.1.3. Гармонический периодический объект……Page 140
9.1.4. Оптическая передаточная функция (ОПФ)……Page 142
9.2. Схема формирования оптического изображения……Page 145
9.3.1. Функция рассеяния точки в случае отсутствия аберраций……Page 150
9.3.2. Влияние неравномерности пропускания по зрачку на ФРТ……Page 151
9.3.3. Безаберационная ОПФ. Предельная пространственная частота……Page 152
9.4.1. Предельная разрешающая способность по Релею……Page 153
9.4.2. Разрешающая способность по Фуко……Page 154
9.5. Влияние аберраций на ФРТ и ОПФ……Page 155
9.5.2. Критерий Релея для малых аберраций……Page 156
9.5.3. Формула Марешаля. Допуск Марешаля для малых аберраций……Page 157
9.5.4. Влияние аберраций на ОПФ. Геометрически-ограниченные и дифракционно-ограниченные оптические системы……Page 159
Приложение А. Дифференциальные операторы математической теории поля……Page 161
Приложение Б. Сводная таблица матриц преобразования……Page 163
Литература……Page 164
Содержание……Page 165
×àñòíûå ñëó÷àè ïîëîæåíèÿ ïðåäìå……Page 0